Отметим, что протон не имеет каких-либо
чётко различимых границ, поэтому его размеры можно определить лишь по
взаимодействию с вращающимися вокруг него частицами (например, электронами). В качестве основного объекта для вычисления диаметра этой положительно заряженной частицы традиционно выступал атом водорода.
Простейший химический элемент состоит из
одного протона и одного электрона. При этом электрон вращается вокруг
протона на строго определённом расстоянии в зависимости от энергетического уровня. Электрон может перемещаться с одного уровня на другой, поглощая или выделяя энергию в виде фотонов света. Измеряя энергию фотонов, исходящих от возбуждённого атома водорода, физики могут определить допустимое положение орбиталей, и на основании законов квантовой физики рассчитать расстояние от них до протона.
Впервые такие измерения были проведены в 1960-х годах. С тех пор считалось, что радиус протона равен 0,8768 фемтометра или менее одной триллионной миллиметра.
Проблемы начались после того, как о
результатах своих измерений заговорила группа физиков, работающих под
руководством Рандольфа Поля (Randolf Pohl) из Института квантовой оптики Макса Планка. Учёные с помощью ускорителя элементарных частиц бомбардировали атомы водорода мюонами.
В результате эти нестабильные элементарные частицы, которые в двести
раз тяжелее электронов и также имеют отрицательный заряд, вытеснили
электроны, заняв их места. Из-за большей массы мюон вращается гораздо
ближе к протону и более чувствителен к его диаметру. Поэтому измерения,
основанные на таком взаимодействии, гораздо точнее.
В 2010 году Поль и его коллеги впервые
опубликовали уточнённый размер протона, равный 0,8418 фемтометра. В
обычной жизни разница в 0,00000000000003 миллиметра практически
неощутима, но только не в вопросах квантовой физики, где погрешность
обычно не превышает долей процента.
Два года спустя та же команда исследователей провела повторные исследования. Как сообщается в статье,
опубликованной в журнале Science, учёные также получили мюонные атомы
водорода, но на этот раз с помощью лазера переводили тяжёлые
отрицательные частицы на другие орбитали, чтобы сделать расчёты на
основании нового набора энергетических уровней.
Учёные утверждают, что последние
измерения были на порядок точнее, чем в 2010 году. Однако диаметр
протона оказался равен 0,8408 фемтометра, что почти полностью
соответствует предыдущему результату.
Однако физики так и не нашли точного
ответа на вопрос: откуда взялась разница в 4%? В октябре 2012 года в
Италии прошёл специальный семинар, в котором приняли участие 50
экспертов по протонам со всего мира. В результате специалисты сошлись во
мнении, что между электронами и мюонами существуют некоторые различия,
которые находятся вне стандартных физических моделей. Именно они влияют
на получаемый результат.
Учёные надеются, что разгадка тайны будет
найдена в течение последующих двух-трёх лет. Возможно, что-то
прояснится после экспериментов с измерением энергетических уровней в
мюонных атомах гелия, которые планируется провести в ближайшие два года.
Также по теме:
На Большом адронном коллайдере, возможно, получен новый тип материи
Сделан важный шаг на пути к управляемому термоядерному синтезу
Учёные впервые различили химические связи внутри молекулы
Смоделирована химическая связь, которая может существовать только в космосе
| 
